文献综述（或调研报告）：

,,消防水泵过热问题的成因与控制措施

摘要：在建筑消防给水系统中，消防水泵会出现低流量空转过热的现象。此时，泵内液体的温升可能导致泵的过热和汽蚀。泵的过热会影响密封寿命, 并使介质的腐蚀加剧；泵的汽蚀会使泵的性能恶化, 效率下降, 且严重破坏过流部件并产生噪声和振动。由此可见，消防水泵过热现象对泵的使用寿命和消防给水的稳定性都会产生较大的影响。本文结合超高层、高层建筑，对消防水泵过热现象的成因、过热量和控制措施等方面进行了分析和研究。

关键词：超高层建筑；消防水泵；空转过热；水泵温升

Abstract: It has often happened in buildingrsquo;s fire water system that pumps are idling because of low discharge, consequently generating too much heat. Meanwhile, the rise in water temperature may lead pumps to overheating and cavitation. Overheating will influence the pumprsquo;s sealing life as well as aggravate corrosion medium, while cavitation will cause the pump performance deterioration and loss of efficiency, with sabotage of flow passage components that results in noise and vibration. In conclusion, overheating is causing huge influence in pumprsquo;s using life and stability of fire water system. Combining with high-rise and super high-rise buildings, this paper is taking Jiangsu Mansion as an instance to analyze and study the causes, quantities and controlling measures of the overheating problem.

Keywords: high-rise building; fire water pump; overheating caused by idling; rise in pump temperature

1．研究背景

消防水泵是整个建筑消防设施中最重要的动力源，是整个消防供水设施的心脏。在灭火过程中，从消防水源取水到将水输送到灭火设备处，都要依靠消防水泵来完成。在建筑消防给水系统中，消防水泵会出现低流量空转过热的现象。此时，泵内液体的温升可能导致泵的过热和汽蚀。泵的过热会影响密封寿命, 并使介质的腐蚀加剧；泵的汽蚀会使泵的性能恶化, 效率下降, 且严重破坏过流部件并产生噪声和振动。由此可见，消防水泵过热现象对泵的使用寿命和消防给水的稳定性都会产生较大的影响。本文将以江苏大厦项目为例，对消防水泵过热现象的成因、过热量和控制措施等方面进行分析和研究。

2．消防水泵过热的成因

根据《消防给水及消火栓系统技术规范》第11.0.2、11.0.4条要求，消防水泵应根据流量开关和压力开关信号自动启泵，且消防泵不得自动停泵。建筑物内某处发生灾情，室内消火栓系统和自动灭火系统在扑救初起火灾时，室内消火栓系统实际流量只有5L/s，自动喷水灭火系统实际只有1—5L/s，此时消防泵的轴功率远大于输出功率，泵就会出现空转过热的现象。在火灾扑救现场，根据火灾现场的要求，扑救在进行转场的过程中，室内消火栓系统会关闭，此时消火栓系统会出现小流量甚至零流量，消防水泵也会发生空转过热现象。在超高层建筑中，消防水泵采用重力流系统，消防系统转输水泵也会因为消防水量不同需求出现零流量，从而发生空转过热现象。

3．过热量计算

3.1水泵温升

泵的温升等于泵内液体功率损耗引起的温升和液体等嫡压缩引起的温升之和，即

（3.1）

当消防水泵低流量空转时，假设此时流量为Q，查水泵的性能曲线，可知泵的扬程H，泵的效率eta;。

功率损耗引起的温升，按照下式计算温升：

（3.2）

式中

H—泵的扬程，m；

g—重力加速度，m²/s；

C—比热容，kJ/kg· K ；

Eta;—泵的效率。

考虑到液体的压缩性，计算液体在无损耗、无热交换时的等嫡压缩温升，按照下式计算温升：

（3.3）

式中为泵的吸入温度。

随泵的扬程的增加而上升, 但与相比很微小，在确定最小流量时一般可不考虑等嫡温升配。因此泵的温升可近似按下式确定：

（3.4）

3.2水泵许用温升

泵在不产生过热、汽蚀等现象且能够正常工作的情况下所允许的最大温度升高量，称为离心泵的许用温升。

当泵的（汽蚀余量）远大于（汽蚀量）时，泵的许用温升由泵的材质、介质特性及密封情况等确定。

当泵的（汽蚀余量）和（汽蚀量）比较接近时，可按照下面的公式计算许用温升 由汽蚀条件确定。小流量汽蚀条件下的饱和蒸汽压：

（3.5）

式中

—吸入温度下的饱和蒸汽压，Pa；

—液体密度，kg/m³；

按的值，查有关图表，得出压力下该液体所对应的饱和温度

泵的许用温升按下式确定：

（3.6）

在一般的估算中，对于消防水泵这种清水泵来说，许用温升 ^[1]。

3.3零流量下消防水泵温升估算

选用南亚牌1.5TC-24型卧式单级泵，当该泵处在零流量下运转时，查该泵的性能曲线，见图1。

图1 1.5TC-24型卧式单级泵性能曲线

水泵的扬程H为36.8m，泵的效率eta;为2%，代入（3.4）式可得泵的温升为4.3 ̊C，远小于10—15 ̊C。

此时水泵能够在产生汽蚀等损伤泵内部结构的情况下正常运行。当流量逐渐增大时，泵扬程减小，效率增高，泵的温升逐渐减小，泵的过热量在可以接受的范围内。

在超高层建筑中，一般选用的消防水泵扬程都在60m以上。选用XBD13/350-350M6/654型消防泵^[2]。其性能曲线见图2

当无限接近于零流量时，消防泵的效率eta;为1%，扬程H为152m，代入公式（3.4）可得泵的温升为35.28 ̊C，远大于清水泵的许用温升15—20 ̊C。此时就需要采取一定控制措施来消除温升对于水泵的影响。

图2 XBD13/350-350M6/654性能曲线

在高层建筑的消防供水中，当供水区域出现改变时，消防水泵会出现间断的零流量空转的现象。此时，水泵叶片传递的能量全部转化为液动力，所以水的速度很高。但由于没有压力，所以效率是0。同时由于叶片的功率可以以极大程度地传递给水，直到与叶片泵壳的阻力平衡为止，所以功率可以毫无保留的转化成水移动的能量以及因为水与泵体摩擦碰撞所产生的热量。此时水泵的轴功率做功全部转化为泵内水的动能和热能，合计为水的内能，参见公式（3.7）：

（3.7）

T—消防水泵零流量工作时间，单位为s，

m—消防水泵内的水的重量，单位为kg，

C—水的比热容，J/kg· K，

V—消防水泵内水的流速，m/s。

消防水泵内的水的流速可以通过叶轮的转速估算出来：

（3.8）

（3.9）

（3.10）

式中

—消防水泵的扬程，m；

mu;—叶轮的圆周速度，m/s；

D—叶轮的外径，m；

—叶轮的转速，r/min；

—泵内水的切向速度，m/s；

—泵内水的速度，m/s；

—水流速度与切线方向的夹角，实际运用中，水泵厂家一般选用alpha;=6°—15°。

由（3.7）（3.8）（3.9）（3.10）式可推导出水泵零流量运行时单位时间温升。一般情况下，在零流量时，消防水泵不能长时间运行，否则水泵过热会对水泵造成不可挽回的损害。

选用华宇牌XBD40-130-HY型卧式消防泵，查其特性曲线，可得在零流量下消防水泵扬程110m，轴功率为27kw，泵容积为12.1L，叶轮转速为2970r/min，叶轮的外径为200mm，alpha;取10°。将数据代入公式可以计算出该型号的消防水泵在不考虑散热的情况下，单位时间的温升为19.5 ̊C /min。结果显示，运行约5分钟，水泵内的水就会气化，对水泵造成损害。

4．控制措施

虽然在消防给水系统中，消防水泵的过热量不会影响到泵的正常工作。但是，泵经常性的过热会导致泵内部结构的破坏，降低泵的工作效率和使用寿命。为了消除消防水泵过热的影响，一般可采用下列控制措施。

4.1设置旁路，用手动阀操作。因手动操作误差较大, 一般不常使用或不单独使用。

4.2设置旁路，用限流孔板来控制。但孔板的设计因工艺条件变化很难做到准确，同时当泵的扬程较高时，压差较大，容易引起管线振动并伴有很大噪音，对操作和安全不利。另外，旁路在水泵操作时一般是常开的，这样泵输送能力要包括操作流量及旁路流量两部分，增大了泵的能力和操作费用^[3]。

4.3设置旁路自控调节系统。此方法虽然克服了第二种方法的部分不足，但必须增加一套自动控制回路及调节阀，造价昂贵。

4.4设置自动再循环阀（ARC, Automatic Recirculation Valves）。它既克服了前三种方法的不足，又兼有止回阀的作用，可取消水泵出口处常用的止回阀^[1-4]。

图3 三通式自动再循环阀

阀的外形类似一个三通阀，如图3所示。一般它有P、R、B 三个接管口, 其中P端接离心泵出口(称为阀入口)；R端接后系统(称为阀出口)；B端与泵吸入管线或设备相连(称为旁通口或最小流量口)。P、R间有一个带弹簧执行机构的阀瓣，阀瓣与阀座之间的离合使流体单方向流动或停止并起止逆作用，B端部分也有一可移动的阀瓣，在一定的压力下它的每一位移量对应一定的流量，而且在起初一定位移范围内流量为零，类似于一个节流阀。止逆部分与节流部分的执行机构通过一曲柄连接，止逆阀瓣的动作将带动节流阀瓣动作。

图4 离心泵管路中自动再循环阀

自动再循环阀在离心泵管路的安装如图4。当离心泵开启、管路系统手动阀打开时，P向R 有流体流动，止逆阀瓣开启离开阀座，阀体中弹簧被压缩。同时，止逆阀瓣带动曲柄，并推动节流阀瓣向B端口移动，旁路管的流量减小直至为零。当阀出口端连接的手动阀（或后系统）逐渐关闭，P向R间的流体流动量减小，压力增大，弹簧伸长，止逆阀瓣向阀座方向移动趋于关闭，并带动曲柄推动节流阀瓣朝远离B端口的方向移动。当移动至某一位置时旁路开启有流体流过。随着主管路流量的进一步减小，止逆阀瓣越来越靠近阀座，而节流阀瓣开启越来越大，旁路的流量也趋于增大。此时，离心泵的流量等于流入后系统的流量与旁路流量之和。当止逆阀瓣回到阀座，即主管路流量为零时，节流阀瓣达到最大开启位置，旁路流量也达到最大。此旁路的最大流量即为离心泵正常操作所要求的最小流量Q_min。由此可见，安装自动再循环阀（ARC）后，当系统非正常操作时，离心泵的流量产生波动。如小于泵所要求的最小流量时，则旁路自动开启，补偿主管路流量与最小流量间的不足，保护了离心泵的安全运行。

5．结语

消防水泵由于低流量空转所导致的过热现象，对于扬程较小的消防水泵并不会对消防给水系统的正常运行造成影响。但是这种过热现象对泵本身所造成的损耗需要引起一定的重视。对于高层和超高层建筑，一般采用扬程和功率较大的消防水泵，此时其低流量空转引起的温升远大于水泵的需用温升。当出现零流量空转的情况时，消防水泵的单位时间温升很大，长时间运行会使水泵温度过高，减少水泵的使用寿命，故应尽量采用例如设置旁路、自动再循环阀等措施有效的消除这一危害。

参考文献

1. 周晓云. 给水泵最小流量计算. 流体机械,1994(2).
2. 黄铭科,孙道临,吴晓玲. 石油化工用消防泵选型工程实例分析. 石油化工技术设备,2013,34(6).
3. 化学工业部化学工程设计技术中心站. 化工单元操作手册.
4. 谢相斌,王克敬. 自动再循环阀在离心泵最小流量控制中的应用. 化工设计,2000,10(1).